基于物聯網的智慧園區總體設計與實現

周文彬，杜曉東，齊安樂，王 帥，劉可欽

（北方國際合作股份有限公司 北京 100001）

0 引言

隨著現代科學技術的迅猛發展，物聯網、大數據、云計算和移動互聯技術日益成熟，信息化建設成為科技強國的必經之路，具有重要的現實意義和重大的戰略意義。 同時隨著我國的戰略轉型和編制體制的調整，智慧園區的建設逐漸向集約化、大型化和信息化方向發展，以智慧園區保障與管理信息化建設為主要特征的智慧園區逐漸成為當前建設的趨勢［1］。 但是目前智慧園區在總體設計和實現上還存在一定問題，智慧園區與物聯網等新技術融合還不夠深入，因此，本文探討了基于物聯網、云計算、大數據和人工智能等技術，構建安全、便捷、智能、高效的園區綜合信息處理體系的可行路徑。

1 智慧園區內涵

準確把握智慧園區的建設目標和概念內涵是順利推動智慧園區“數字化、智能化、網絡化、互動化、融合化”建設的第一步。

（1）從智慧園區建設角度出發探析其內涵，明確了構建基于信息系統的智慧園區管理體系需重點加強綜合管理能力建設。 智慧園區建設首先需要圍繞“園區”概念實施，因此，本文對智慧園區做出如下定義：智慧園區是聚焦管理能力生成，以園區一體化建設需求為牽引，以綜合管理為應用領域，綜合運用物聯網、云計算、大數據和自動化控制等先進信息技術［2］，建設園區綜合信息平臺和各類信息應用系統，實現園區信息資源的共享以及業務的協同應用和多樣化綜合管理的智慧應用的發展戰略要求。

（2）從信息技術視角探究其內涵。 智慧園區建設的內核是新一代信息技術的應用。 在數字化轉型的時代浪潮中，智慧園區的建設重點正逐步從傳統的以數據為基礎的園區自動化管理，向以人工智能和物聯網等新一代信息技術為核心的智慧化服務轉型［3］。 因此，從技術的視角來看，智慧園區是通過綜合運用新一代信息技術，整合智慧園區各類資源，依托先進的信息基礎設施，以智慧園區信息服務平臺為支撐，提升智慧園區服務和治理水平，推進園區運營管理模式轉變，提升園區信息化水平，構建智慧園區生態系統。

綜上，智慧園區的建設是一個開放的體系，要與園區當地的多個單位有廣泛的聯系。 園區的建設工作、生活物資的供給、水電氣暖等能源的提供等都需要與當地政府和各級單位緊密的合作。 在各類信息系統應用越來越全面、深入的形勢下，智慧園區的信息化應與相關的信息化建設保持同步，實現信息互通、數據共享，才能保證園區的保障與管理效率跟得上社會發展的步伐，改變傳統模式，補齊信息化的短板。

2 智慧園區需求

從建設的總體目標與整體架構而言，智慧園區建設應至少能滿足以下需求：

一是數據綜合處理需求。 首先提供與園區保障與管理相關數據的采集、存儲、分發、維護等數據綜合處理功能，確保數據的規范、安全和可用。 其次提供通用靈活的信息服務能力，能夠對數據按需進行處理分析，支持固定模式的統計查詢和基于主題的關聯查詢，并以多種形式展現和輸出查詢結果；最后制定相關數據交換標準并提供配套工具，在工作中數據滿足按需共享、順暢交換等要求。

二是業務工作處理需求。 滿足園區各業務領域需求，實現各項業務工作從計劃制定、開展實施、決策分析到綜合管理等一系列過程的業務流程覆蓋，形成“縱向到底、橫向到邊”的完整信息鏈。

三是輔助決策支持需求。 在構建園區大數據基礎上，運用大數據分析和可視化技術，展示業務處理、管理和保障等方面的規律性、關聯性和趨勢性；能夠有效支撐園區運營、園區管理、日常辦公、園區安全、文化宣傳、日常業務處理等應用系統，實現數據的互聯互通，有效增強系統決策支持能力，為建成智慧園區提供輔助支撐。

四是網系融合需求。 充分利用園區現有的各類網絡資源，綜合運用區域網、專網、網絡單向數據傳輸等多種技術，構建園區專用網絡通信網絡體系，同時利用服務質量保障策略確保系統運行所需的網絡帶寬和傳輸質量體系，提高系統網絡的可管理性［4］。

五是安全保密防護需求。 按照國家的相關安全保密有關規定，采用信息系統分級保護相關防護手段，構建“縱深防御、整體聯動、立體防護”的安全保密保障體制，具備邊界防護、身份認證、密碼保護、訪問控制、病毒檢測、漏洞掃描、入侵檢測、安全審計等能力，為信息的處理、傳輸和存儲提供可靠的安全保障，確保系統實體可信、行為可控、資源可管、事件可查和信息保密。

六是適應性需求。 具有集中配置、靈活部署和適度冗余能力，能夠適應新形勢下園區保障與管理業務處理方式，能夠根據業務工作需求的變化實現快速定制流程和功能組配，最大限度滿足人防各業務流程功能要求；能夠滿足用戶個性化需求，依托個性接口，按需提取，展示園區各類業務數據。

七是可靠性需求。 采用技術成熟、性能指標較高的設備設施，保證信息系統的高質量與高穩定性，提供穩定可靠的運行能力；冗余設計關鍵服務和部位，對信息系統重要環節采用冗余設計，避免關鍵服務或部位故障導致系統的崩潰或癱瘓，提供對突發事件、故障的及時響應能力；提供對系統關鍵業務和數據的合法性、一致性進行檢查、提示和審核，確保信息系統的可靠性。

八是可伸縮性需求。 可伸縮性需求是指一個信息系統適應負載變化的能力。 在負載變化時自身能力能夠作出相應的變化，以適應負載。 智慧園區的各類應用系統需要具備調度的可伸縮性，當信息服務需要更多資源時能及時、適量地給予資源分配，當信息服務資源需求減少時能夠適時回收資源，保證系統的資源高效利用，從而節省運行成本。

九是管理維護需求。 首先是可維護性，采用標準化、模塊化、服務化的軟件設計方法，提供業務信息系統的安裝部署、升級、補丁分發等功能，便于技術人員日常維護。其次是可管理性，在資源整合后能夠提供完整的功能集，智慧園區各類業務應用系統包含種類繁多的軟件和硬件設備，每個軟件都有相應的工具提供全面的管理支持。 最后是可追溯性，系統歷史和重要數據記錄在案以備查找，記錄可以作為故障診斷的依據，幫助及時定位和解決故障問題。

3 總體架構

智慧園區建設作為一個復雜的系統工程，既要從宏觀層面加強頂層設計，又要從微觀層面考慮具體的操作實施。 智慧園區遵循“六層兩域”體系架構：一是感知采集層，實現全域感知；二是基礎設施層，實現接入與泛在聯系；三是數據管理層，實現數字化服務的支撐；四是中臺服務層，實現智能應用基礎；五是應用層，實現業務應用和專題分析；六是展示層，通過門戶系統實現各類信息呈現。“兩域”則是安全體系和標準體系。 具體如圖1 所示。

（1）感知采集層：物聯感知設備接入系統，實現智慧園區管理與保障相關的設施設備，如對監控攝像機、門禁控制器、道閘控制器、數字水表、數字電表和自控閥門等各類傳感器的適配、安全接入和身份認證，保證采集數據的安全可靠傳輸，并通過對數據的協議解析、數據轉換和提取，進行數據傳輸。

（2）基礎設施層：基礎設施層包括地理信息平臺、云資源服務平臺和云平臺，應用相關平臺主流的技術體系，如云基礎軟件技術，為數據層提供基礎的地理信息管理、云資源管理和各種傳感數據管理等服務。

（3）數據層：將智慧園區各類數據統一組織和存儲，實現資源按需分配。 為各類應用系統提供基礎環境支撐，高質量地滿足智慧園區各單位、各級用戶對網絡基礎設施資源的需求，并根據實際需要采用相應的數據庫支撐技術。 數據庫需要按照應用系統的需求，以及“一人一檔”“一車一檔”的思路，建立相應的基礎數據庫和主題數據庫。

（4）平臺服務層：通過數據層的交換手段和數據接口，以數據層為基礎，對外提供數據發布、數據共享、數據交換和數據分析等服務，并實現與智慧園區其他業務系統的集成應用。

（5）應用層：面向智慧園區綜合管理提供園區運營、園區管理、日常辦公、文化宣傳、智慧園區安防與智慧園區管理等應用。

（6）展示層：通過門戶系統實現各類應用的單點登錄、消息集成、統一權限、統一用戶和組織機構，對采集的各類數據，利用大數據技術進行深入數據挖掘和處理，為預警監測、指揮決策及應急處置等提供信息支撐，并對各類信息和輔助分析結果進行統一展示。

4 功能架構

智慧園區建設包括綜合態勢展示、園區智慧型物聯網綜合服務平臺、業務應用、基礎設施以及相應的安全保密和運維管理設備構成。 具體功能組成如圖2 所示。 智慧園區建設實現統一的登錄門戶，實現單點登錄、統一搜索引擎、統一基礎資源管理、統一綜合日志審計、統一權限管理、統一組織機構與用戶、統一服務注冊、統一身份認證、統一業務流程集成與應用、統一數據交換和統一消息等功能。

5 數據架構

智慧園區數據架構體系劃分為打牢共用、整合通用和開發應用等層次。 一方面，通過梳理智慧園區各個業務之間需要協同共享的數據，形成業務主題園區大數據中心，由大數據中心對數據進行統一管理和維護，并以服務的方式向各應用系統提供數據共享服務，實現數據的充分共享，打破信息孤島。 另一方面，對各應用系統中都需要的數據進行統一管理，包括由組織架構、用戶角色等構成的公共信息主體數據，以及由系統數據、工作流數據等構成的基礎信息數據。 此外，還包括人員信息數據、車輛信息數據、物聯感知數據、地理信息數據等數據源，以此保證各應用系統數據的統一性，減少各系統獨立維護的成本，進而提高管理效率。

6 設計實現

依據以上體系架構、功能架構與數據架構，根據實際的園區進行模塊化組合，形成特定場景下的智慧園區。

首先，對信息基礎設施進行升級改造。 重新搭建園區網絡，將原來的網絡區分為若干網絡，例如安防專網、設備設施與物業專網、辦公內部網與備用網絡等不同功能的局域網。 對存在安全隱患、功能老舊的設備進行更換或智能化升級；對尚未部署相關設備的場景，如監控死角進行全面補充。 重新建立接口標準，實現設備集成，將獨立分散的各類設備設施整體接入物聯網，實現多系統聯動管理和運維。

其次，搭建園區數字平臺，包括數據集成平臺、物聯平臺、信息系統平臺、視頻云平臺、低代碼開發平臺與數據治理中心等多個子平臺［5］。 園區數字平臺一般由值班人員進行日常管理維護，當園區處于任務時，值班人員可以通過指揮中心工作臺電腦，輸入分配賬號登錄綜合管控平臺。 再投影到電子沙盤上查看園區實時動態信息，當園區重點區域和業務有所變動時，可通過平臺中自定義配置功能對實時視頻和業務呈現模塊進行相應的顯示調整，便于值班人員在可視化大屏直觀了解到所關注的園區實時動態，有效提升值班人員對園區實時安防動態和潛在風險的把控。

最后，重點圍繞安全園區與智慧園區構建雙數字孿生體系。 在安全園區方面，通過安防、消防等系統數據的聯通及設備設施的聯通，構建一體化安全監測系統，實現“人員、設備、環境”全方位智能監控。 遵循國家等保三級安全要求，打造信息安全防護體系，并通過網絡設施的分離改造，進一步提高信息安全保障。

在智慧園區方面，重點圍繞運維、通行和服務打造智慧管理手段。 通過設備設施管理云平臺，實現對電梯、高壓配電房、電梯機房、空調機組等設施的運行狀態進行實時監測，主動預知故障并自動派發工單，提供運維效率。升級智慧停車系統，建立無人值守體系，提供車位引導等功能，升級訪客管理系統，解決園區通行數字認證問題，提升通行效率。

7 結語

綜上所述，智慧園區在未來一定是整體智能化的“生命體”。 整個“生命體”應具備統一服務能力的園區大腦，承擔和用戶交互、提供服務的核心AI 能力，調動和協同整個園區的能力為用戶提供智能、便捷、聯動的服務；園區大腦能通過學習用戶的生活習慣，逐步積累用戶畫像，持續升級個性化服務；并且通過物聯網的鏈接能力建設整個園區的神經網絡，使設備在線、環境狀態在線，打造人、設備、空間實時在線的數字空間世界。